CC BY
36ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ ГАЗОКОНДЕНСАТНОЙ СМЕСИ В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХ
УДК 622.691.4
Р.Х. Аскеров, к.т.н., доцент, Азербайджанская государственная морская академия (Баку, Азербайджанская Республика),
Х.И. Дадашзаде, к.т.н., доцент, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (Баку, Азербайджанская Республика), [email protected]
В статье рассматривается транспортировка многофазных углеводородов по трубопроводам. При движении многофазной системы в трубах наблюдаются особые силовые, а при неизотермическом течении - тепловые взаимодействия, которые влияют на изменение скоростей течения, давления и температуры. Влияние разнообразных параметров на движение газоконденсатных смесей не позволяет получить основные уравнения на основе теоретического анализа. В исходное уравнение входят сложные функции, такие как касательное напряжение и истинные скорости фаз, которые на современном этапе их научной изученности могут быть определены только эмпирическим путем.
Предлагается методика изучения движения двухфазной смеси. На основе режимной характеристики получена формула для определения основных параметров трубопровода. Данная методика апробирована на промысловых трубопроводах и показала хорошую сходимость расчетного и измеренного давлений, что дает возможность рекомендовать эту методику для широкого применения при проектировании трубопроводов.
Исследования показывают, что для проектирования и строительства трубопроводов необходима более полная методика расчета на основе режимной классификации отдельных фаз, составляющих газожидкостную или многокомпонентную систему. С учетом безразмерных параметров Фруда, Рейнольдса и коэффициента гидравлического сопротивления можно моделировать гидродинамические процессы в двухфазных системах. Предложенная методика дает удовлетворительные решения для двухфазных и однофазных систем, таких как однородная жидкость или однородный природный газ, в условиях суши и моря.
В отличие от структурной классификации режимная классификация более доступна, поскольку она опирается на основные законы механики жидкости и газа, при этом точность расчета приемлема в нефтяной и газовой промышленности.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: КОЭФФИЦИЕНТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, ПЛОТНОСТЬ, ДИАМЕТР, ОБЪЕМНОЕ РАСХОДНОЕ ГАЗОСОДЕРЖАНИЕ.
Транспортировка многофазных углеводородов по трубопроводам широко применяется в газовой промышленности. Данная проблема изучена недостаточно полно в связи со сложностью явлений, происходящих при совместном движении смеси конденсата и газа, отличающемся от движения однофазного потока. Лабораторные эксперименты показали, что относительное движение фаз в трубах приводит к появлению особых силовых взаимодействий,
а при неизотермическом течении - тепловых взаимодействий, которые влияют на изменение скоростей течения, давления и температуры. Эти явления объясняются образованием различных структурных форм двухфазного потока и пульсацией давления в трубопроводах [1-5].
На практике в трубопроводах, которые прокладываются зачастую по пересеченной местности промысла, происходит более сложный процесс движения газо-
жидкостной смеси. При движении двухфазной смеси в таких трубопроводах кроме влияния сил трения проявляется воздействие и других сил.
Совокупность влияния разнообразных параметров на движение газоконденсатных смесей затрудняет получение основных уравнений на основе теоретического анализа. Это объясняется тем, что в исходное уравнение входят сложные функции, такие как касательное напряжение и
Askerov R.Kh., Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, Azerbaijan State Marine Academy (Baku, Republic of Azerbaijan), [email protected]
Dadashzade Kh.I., Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, Azerbaijan State Oil and Industry University (Baku, Republic of Azerbaijan), [email protected]
Hydraulic resistances in motion of gas-condensate mixture in horizontal pipes
The article considers the transportation of multiphase hydrocarbons through pipelines. When the multiphase system moves in the pipes, the special force interactions and the thermal interactions in the case of nonisothermal flow are observed. These interactions affect the change of flow velocities, pressure and temperature. It is not possible to deduce the basic equations on the basis of theoretical analysis because of the influence of various parameters on the motion of gas-condensate mixtures. It is explained by the fact that the original equation includes complex functions such as tangent stress and true phase velocities, which can be determined only empirically at the present stage of their scientific study.
The methodology for the study of the two-phase mixture motion is offered. The formula for defining the main factors of pipeline is obtained on the basis of performance characteristics. This method was tested on the field pipelines, good convergence of the calculated and measured pressures was obtained. This methodology is recommended for extended application in pipeline design. According to studies, a more complete calculation methodology is necessary for design and construction of pipelines. This method should be based on the performance classification of individual phases constituting the gas-liquid or multicomponent system. It is possible to simulate the hydrodynamic process in two-phase systems taking into account the Froude and Reynolds dimensionless parameters and hydraulic resistance coefficient. The proposed methodology provides satisfactory solutions for both two-phase and single-phase systems such as the homogeneous liquid or the homogeneous natural gas in the land and sea conditions.
In contrast to the structural classification, the performance classification is more accessible, because it relies on the basic laws of fluid and gas mechanics, and the calculation accuracy is acceptable in the oil and gas industry.
KEYWORDS: HYDRAULIC RESISTANCE COEFFICIENT, DENSITY, DIAMETER, VOLUME CONSUMPTION GAS CONTENT.
истинные скорости фаз, которые на современном этапе их научной изученности могут быть определены только эмпирическим путем.
Основной причиной недостаточной изученности данного процесса - движения газоконденсатной смеси по трубопроводу - является малый объем выполненных теоретических и экспериментальных работ.
Большинство посвященных изучению данной проблемы работ в лабораторных условиях проводилось на горизонтальных трубах малого диаметра и ограничивалось изучением движения воз-духо-водяных смесей без учета физических свойств компонентов, составляющих газожидкостную смесь. На материале некоторых лабораторных и промысловых наблюдений изучалось по отдельности влияние плотности, вязкости и других параметров на процесс движения. Отметим, что пока еще не проводятся систематические наблюдения и контроль за рабо -той действующих газоконденса-топроводов, поэтому собранный материал по движению двухфаз-
ных систем недостаточен для более детальных исследований. Вместе с тем сложность пробле -мы заключается в отсутствии доказанного теоретически и экспериментально обоснованного метода постановки лабораторных исследований.
Недостаточно изучено влияние на результаты экспериментов таких обобщенных параметров, как числа Рейнольдса, Фруда и т. д. Не всегда обосновано использование критерия подобия однофазного движения жидкой или газовой фазы, что создает трудности при изучении общепринятой классификации газоконденсатной смеси. Нет надежных способов определения границ между фазами и ширины зон переходов структур. Отсутствуют достаточно надежные зависимости для определения истинного содержания фаз и коэффициента гидравлического сопротивления. Имеющиеся в литературе многочисленные математические формулы часто противоречивы с точки зрения не только количественной, но и качественной оценки всего процесса.
Еще меньше изучены природа скоплений конденсата в трубах, влияние шероховатости труб на гидравлические характеристики потока, а также неустановившиеся процессы при пуске, остановке и изменении режимов работы трубопровода, вопросы,связанные с повышением пропускной способности данного трубопровода.
ВЫЧИСЛЕНИЯ
Проведенный анализ показывает, что при движении газожидкостной смеси общее уравнение можно записать следующим образом [6]:
Арс = Арж + Арг + МДржДрг, (1)
где Дрс - потеря давления на тре -ние при движении газожидкостной смеси, Па; Држ и Дрг - потери давления на трение при движении однородной жидкости и газа соответственно, Па; к - экспериментальный параметр, безразмерная величина.
Данная зависимость апробирована на экспериментальных дан-
ных работ [1, 2, 4, 5] при следующих соответствующих параметрах для различных жидкостей: число Фруда для газа Frr = 0,15-3246; число Фруда для жидкости Ргж = = 0,00005-134,12; число Рейнольд-са для газа Rer = 211-67 500; число Рейнольдса для жидкости Reж = = 404-18 886; внутренний диаметр трубы й = 0,02-0,05 м.
Подставляя отдельные параметры в уравнение (1), получим:
АР,
+ к/х
^РжЧ^РЛ.
(2)
Арс _ Рж 91- ч 2 ж 2 дО А, Ж
V „ А хРг Р - гРж
Рг Р2
гРж(1"Р)2
(7)
Введем новое обозначение:
Р
А = Х +
1-Р
Р Р
+ к А.Л—
Далее получим: Ар V 2
= ж д
Ржд1- 2д0
(8)
(9)
где >.ж и Хг - коэффициенты гидравлического сопротивления для однородной жидкости и газа соответственно, безмерные величины; уж и у - приведенные скорости жидкости и газа соответственно, м/с; рж и рг - плотности жидкости и газа соответственно, кг/м3; I -длина трубопровода, м.
Проведем группировку для получения безразмерных параметров:
При расчете трубопроводов вво дится параметр напора [2, 3]:
Дрс
н =
РжЭ
(10)
.А.
(11)
тогда
I ~ 2дО'
Из формулы (9) определим среднюю скорость жидкости:
Ар V 2 v2p
с г_ г +
рЖ ж2д0 г2д0рж
V 2 У2р гг
2дй г 2д0р '
(3)
V
Р=—
к V + V
(4)
(5)
С учетом данного выражения имеем:
¿Ре Р2 ,
роГ^гдО г2д0рж (1 - (З)2
К2РГ Р2
2д0 г 2д0р (1-р)2'
-А
2д0
Л А1'
(12)
Между приведенными скоростями жидкости и газа существует зависимость:
Отсюда приведенная скорость газа равна:
Длина конкретной трубы - всегда известная величина, поскольку определяется производственными условиями, поэтому при расчете трубопровода возникают три основные задачи: определение расхода, напора и диаметра тру-бопровода,связанных уравнением движения.
Рассмотрим решение этих задач. Представим, что требуется определить необходимый действующий напор для трубопровода длиной £ и диаметром йдля пропуска расхода @ж. Для этого умножаем левую и правую части выражения (12) на площадь трубопровода:
<? 2 А1 со2 2дО
= Н,
(13)
(6) где со - площадь трубопровода, м2
Решение сводится к прямому вычислению напора. При этом требуется определить коэффициент гидравлического сопротивления для однородной жидкости и газа. Данные параметры определяются в зависимости от режима движения с числом Рейнольдса, но при заданном диаметре трубопровода и расхода фаз - без затруднений.
Учитывая вышесказанное, можно решить вторую задачу. Часто на практике необходимо определить расход одной из фаз. В нефтяной отрасли определяется расход по нефти, в связи с чем получим:
= (14)
Вычисление по данной формуле встречает некоторые затруднения, связанные с тем, что коэффи -циенты сопротивления зависят от числа Рейнольдса для жидкости и газа, а для определения этих параметров необходимо знать скорость или расход отдельных фаз. Поэтому при определении объемного расхода жидкости необходимо пользоваться методом попыток или графоаналитическим путем использования формулы (14) для построения графика Н = Г(0ж).
Построение графика кривой производится достаточно просто. Задавая ряд значений расхода жидкости при постоянных параметрах газа, вычисляем ряд значений напора системы.
Третья задача требует определить диаметр трубопровода, по которому прокачивается двухфазная система типа «нефть -газ». Анализ показывает, что определить диаметр трубопровода наиболее просто графоаналитическим методом. Можно построить кривую й = ^Н) при заданных параметрах отдельных фаз, а по ней определитьтребуе -мый диаметр, задавая конкретное значение напора данного трубопровода.
Отметим, что для длинных трубопроводов, когда потерями на
7 7-я международная специализированная выставка
КРИОГЕН-ЭКСПО
промышленные Газы
30 октября -1 ноября 2018, Москва, ЦВК «Экспоцентр», пав. 5
у Организатор Проводится при содействии
лЖир- Экспо о
Я Выставочная компания
О Международного института холода Международной академии холода
* Криогенная техника и технологии
* Газоразделительное оборудование
* Криогенная арматура и комплектующие
<* Вакуумное, компрессорное и теплообменное оборудование
* Промышленные и редкие газы, СУГ
* СПГ-технологии
РАЗДЕЛЫ ВЫСТАВКИ
<* Оборудование для хранения, транспортировки, распределения и раздачи промышленных газов, СПГиСУГ
• Криогенная изоляция
• Измерительное оборудование
• Сосуды Дьюара
• Технологии сверхпроводимости
л 15-я международная конференция
деловая «Криогенные технологии и оборудование, программа. Перспективы развития»
30-31 октября 2017
Международная конференция «Промышленные газы»
Международная конференция «Сжиженный природный газ»
Москва, ЦВК «Экспоцентр», пав. 5, зал 2, конференц-зал
t>TGKO,
:= gasworld fv с/5% ф ЙИ фпв'рф
Фаьо~ш* JBiffi Ж» ^ ХЖ™' & Вл < ~ON
Информационная поддержка
Дирекция выставки:
Москва, Хлебозаводский пр., д. 7, стр. 10, оф. 507 Тел/факс: 8 495 988-1620 E-mail: ¡nfo(5>cryogen-expo.ru Сайт: www.cryogen-expo.ru
Русский: youtube.com/user/cryoexpo English: youtube.com/user/cryoexporussia
Определение распределения давления в трубе (Отр = 0,0504 м, ¿тр = 197,2 м) Determination of pressure distribution in the pipe (Ьтр = 0.0504 m, 1тр = 197.2 m)
Расход газа, м3/с Gas flow rate, m3/s
Расход
жидкости,
м3/с
Liquid flow rate, m3/s
Число Фруда для жидкости Froude number for liquid
Число Фруда для газа Froude number for gas
Число Рейнольдса для газа Reynolds number for gas
Число
Рейнольдса
для
жидкости Reynolds number for liquid
Отношение измеренного давления по длине трубы к атмосферному давлению Ratio of measured pressure along the pipe length to atmospheric pressure
Отношение расчетного давления по длине трубы к атмосферному давлению Ratio of the calculated pressure along the pipe length to atmospheric pressure
Длина трубы,м Pipe
length, m
0,00167 0,00205 2,138 1,4136 2732 51 505 1,935 1,955 32,4
0,00167 0,00205 2,138 1,4136 2732 51 505 1,660 1,652 95,9
0,00167 0,00205 2,138 1,4136 2732 51 505 1,468 1,429 144,5
0,00167 0,00205 2,138 1,4136 2732 51 505 1,220 1,178 197,2
0,0055 0,00205 2,138 15,389 9014 51 505 2,540 2,589 32,4
0,0055 0,00205 2,138 15,389 9014 51 505 2,045 2,062 95,9
0,0055 0,00205 2,138 15,389 9014 51 505 1,715 1,755 144,5
0,0055 0,00205 2,138 15,389 9014 51 505 1,358 1,369 197,2
местные сопротивления можно пренебречь, все три основные задачи решаются с помощью данной методики.
При сохранении методики расчета вычисления представляются достаточно несложными. В таблице приведено сопоставление вычисленного по данной методике распределения давления по длине трубопровода с измеренными значениями [7]. Предлагаемая методика проста
и удобна в применении, что позволяет рекомендовать ее для широкого промыслового использования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе многочисленных лабораторных данных предложена методика расчета основных параметров двухфазных течений в горизонтальной трубе с учетом физических свойств жидкости и газа.
Получена методика расчета основных параметров трубопроводов, транспортирующих двухфазную систему типа «нефть -газ». На основе данной методики определено давление по длине трубопровода для различных расходов отдельных фаз. С помощью данных расчетных формул можно определить основные показатели трубопровода: давление, напор и диаметр или объемный расход данного трубопровода. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Арманд А.А. Сопротивление при движении двухфазной системы по горизонтальным трубам // Изв. ВТИ. 1946. № 1. С. 16-23.
2. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Розенберг Г.Д. Нефтегазовая гидромеханика. М. - Ижевск: Ин-т комп. иссл., 2005. 544 с.
3. Гидродинамика и теплообмен в химической технологии. Тверь: ТвеПИ, 1991. 136 с.
4. Гужов А.И. Совместный сбор и транспорт нефти и газа. М.: Недра, 1973. 280 с.
5. Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Клапчук О.В. и др. Движение газожидкостных смесей в трубах. М.: Недра, 1978. 270 с.
6. Салаватов Т.Ш., Аскеров Р.Х., Дадашзаде Х.И. Определение забойного давления в процессе эксплуатации обводненных газовых скважин // Газовая промышленность. 2017. № 1. С. 26-29.
7. Корнилов Г.Г., Челпанов П.И., Зарецкий Б.Я. Определение среднего давления в трубопроводе при движении газожидкостных смесей // Нефтепромысловое дело. 1976. № 6. С. 35-39.
REFERENCES
1. Armand A.A. Resistance during the Motion of Two-Phase System through Horizontal Pipes. Izvestiya VTI = Bulletin of the All-Union Thermal Engineering Institute, 1946, No. 1, P. 16-23. (In Russian)
2. Basniev K.S., Dmitriev N.M., Rozenberg G.D. Oil and Gas Hydromechanics. Moscow, Izhevsk, Institute for Computer Research, 2005, 544 p. (In Russian)
3. Hydrodynamics and Heat Transfer in Chemical Technology. Tver, TvePI, 1991, 136 p. (In Russian)
4. Guzhov A.I. Joint Collection and Transportation of Oil and Gas. Moscow, Nedra, 1973, 280 p. (In Russian)
5. Mamaev V.A., Odishariya G.E., Klapchuk O.V., et al. Movement of Gas-Liquid Mixtures in Pipes. Moscow, Nedra, 1978, 270 p. (In Russian)
6. Salavatov T.Sh., Askerov R.Kh., Dadashzade Kh.I. Determination of Bottomhole Pressure during the Operation of Watered Gas Wells. Gazovaya promyshlennost' = Gas Industry, 2017, No. 1, P. 26-29. (In Russian)
7. Kornilov G.G., Chelpanov P.I., Zaretsky B.Ya. Determination of the Average Pressure in the Pipeline during the Motion of Gas-Liquid Mixtures. Neftepromyslovoe delo = Oilfield Engineering, 1976, No. 6, P. 35-39. (In Russian)
